三坊七巷小黄楼庭院空间的气候适应性模拟*

王楠楠 乔雨轩 王月明 陈梓茹 傅伟聪 董建文

福建农林大学园林学院 福州 350002

自可持续发展理念提出以来，国内外学者相继对室外不同领域的微气候环境进行了研究。Farzaneh Soflaei等[1]对伊朗传统庭院空间微气候与庭院朝向、规模、比例间的相关性进行研究；黄力藜[2]探讨了东莞可园空间布局对热环境的影响并分析了气候适应性策略。本文以福州三坊七巷典型的宅园式古典园林小黄楼东花厅为研究对象，运用ENVI-met数值模拟法，结合实地调研，研究植被对庭院微气候的作用，分析不同季节的微气候环境及人体舒适度情况，以期为古典园林庭院植被的种植及游览活动的开展提供建设性意见。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究对象

小黄楼位于福州市鼓楼区三坊七巷历史文化街区，占地面积3 640 m2，是全国重点文物保护单位。唐进士、崇文阁校书郎黄璞相继居此，清道光年间进行全面修葺，并建了西花厅小黄楼及园林小筑 “东园”[3]。本次研究以对外开放的东花厅为主，占地面积1 220 m2，是南北走向的不规则矩形，花厅中央建筑占地面积100 m2，乔木覆盖率40%，主要乔木有苹婆树、芒果、桂花、玉兰，灌木有红花檵木、鹅掌柴、南天竹等。

1.2 研究方法

1.2.1 模拟软件

ENVI-met是德国开发的一款适用于城市中小尺度微气候环境的模拟软件。随着ENVI-met在国内外城市设计、村落、住区、校园等领域的广泛应用，其模拟可行性已得到国内外学者的广泛证实[4-8]。根据小黄楼的卫星影像图，利用ENVI-met建立模拟模型，模型设置50个×90个×30个网格数量，每个网格的精度是1 m，嵌套网格数为5。

该模拟基于福州市2018年的气象数据 (数据来源http://data.cma.cn/)，通过比较平均温度、最高最低温度等，以夏季高温天气日 (2018-07-30)和冬季低温天气日 (2018-02-06)为典型模拟日。模拟开始时间为7∶00，持续模拟12 h。ENVI-met模拟参数设置见表1。

表1 ENVI-met模拟参数设置表

1.2.2 评价指标

PMV(Predicted Mean Vote)，即预测平均票数，PMV值是由丹麦Fanger教授提出的代表人体热反应的评价指标，可以反映同一环境中绝大多数人的热感觉[9]。本文采用可决系数R-square(R2)、均方根误差 (RMSE)、平均绝对百分比误差 (MAPE)3个指标对模拟结果进行评价，3个指标计算公式如 (1) (2) (3)所示。式中，xa为实际方案模拟值，xb为仅乔木模拟值，n为次数。

2 模拟结果与讨论

2.1 乔木对人体舒适度的时空分析

对三坊七巷小黄楼东花厅建立实际和仅乔木两种模型 (乔木覆盖率为40%)研究乔木对人体舒适度的影响。根据模拟结果，计算2018年7月30日8∶00—18∶00不同高度两种方案的PMV平均值 (表2)。

2.1.1 不同高度PMV值的分析

根据表2，计算8∶00—18∶00随着高度上升，两种方案PMV值的R2、RMSE、MAPE，以探讨乔木对人体舒适度的影响 (空间维度)。计算结果表明，任一时间随着垂直高度变化，两种方案PMV值的 R2介于0.91～1.00，RMSE介于0.02～0.07，MAPE介于0.60%～1.60%，说明两种方案PMV值的拟合程度极高，即研究区乔木覆盖率达40%时，在空间维度乔木对人体舒适度的作用占主导地位，灌草的作用几乎可以忽略。

2.1.2 不同时间PMV值的分析

根据表2，计算高度0.1～1.5 m，随着时间变化，两种方案 PMV值的 R2、RMSE、MAPE，以探讨乔木对人体舒适度的影响 (时间维度)。计算结果表明，任一高度随着时间变化，两种方案PMV值的R2接近1.00，且随着高度上升，R2趋近 1，RMSE介于 0.04～0.07，MAPE介于0.79%～1.49%，说明两种方案PMV值的拟合程度极高，即研究区乔木覆盖率达40%时，在时间维度乔木对人体舒适度的作用占主导地位，灌草的作用几乎可以忽略。

表2 2018-07-30 8∶00—18∶00不同垂直高度两种方案的PMV平均值

2.2 夏季模拟与结果分析

2.2.1 空气温度

根据模拟结果，计算 2018年 7月 30日8∶00—18∶00小黄楼东花厅1.5 m处的温度平均值。该时间段温度先升后降，8∶00温度最低，为28.82℃，14∶00温度最高，为38.06℃。

由8∶00，14∶00，18∶00小黄楼的温度场分布可知，8∶00小黄楼东花厅温度在28.27℃～29.21℃，受建筑及植被遮荫影响，花厅西北、东南、中庭建筑以西是相对低温区。14∶00温度最高，此时，太阳近似垂直辐射到整个区域，建筑遮荫效果不明显，植被降温效应占主导地位；花厅西北、东南是相对低温区，受主导风 (东南风)影响，东南角的相对低温向西北传递。18∶00温度降低，由于建筑及植被共同遮荫降温效应，花厅南侧、乔木附近温度较其他区域低。总体上，乔木附近一直是整个区域的相对低温区。

2.2.2 相对湿度

根据模拟结果，计算 2018年 7月 30日8∶00—18∶00小黄楼东花厅1.5 m处的湿度平均值。该时间段湿度先降后升，8∶00湿度最高，为71.83%，14∶00湿度最低，为39.75%。

由8∶00，14∶00，18∶00小黄楼的湿度场分布可知，8∶00小黄楼东花厅最大湿度为74.30%，分布在花厅西北及东南角的乔木附近。14∶00最大湿度为 42.36%，最小湿度为37.95%。18∶00最大湿度为54.50%，最小湿度为52.66%。随着时间变化，受太阳辐射影响，东花厅的相对低湿区由西南向东北转移，花厅西北、东南角种植高大乔木，长期遮荫，是整个区域湿度最大的地方。

2.2.3 风速

根据模拟结果，计算2018年7月30日8∶00—18∶00小黄楼东花厅1.5 m处的风速平均值。该时间段风速介于0.0～0.2 m/s，0级风，行人几乎感受不到。对照小黄楼1.5 m处的风速分布，由于花厅四周有建筑和围墙围合，东花厅形成相对闭合的空间，导致内部整体风速小，不利于通风；此外，东花厅呈中央风速略大于周边的格局，在内部形成涡流。

2.2.4 热环境评价

通常PMV等级在-3～＋3(非常冷到非常热，0代表舒适)。根据模拟结果，计算2018年7月30日8∶00—18∶00小黄楼东花厅1.5 m处的PMV平均值 (图1)。该时间段小黄楼东花厅PMV值在2.64～5.50，对照PMV的 《7个等级热感觉量表》，9∶00—17∶00 PMV均值大于3，属于非常热等级，行人不宜长时间室外活动。

图1 夏季8∶00—18∶00小黄楼东花厅1.5 m处的PMV变化图

从输出8∶00，14∶00， 17∶00， 18∶00夏季小黄楼1.5 m高的PMV分布图 (图2)可见，17∶00前，建筑背阳面和树木附近PMV值最小，其他大部分区域PMV值大于3，会对人产生极度热压力，不宜长时间室外活动；18∶00庭院空地PMV值略小于树木附近的PMV值。

图2 夏季小黄楼1.5m处的PMV分布图(左上8∶00，右上14∶00；左下17∶00，右下18∶00)

8∶00建筑背阳面PMV值最小 (1～2)，树木附近其次 (2～3)，庭院空地上方PMV值最大(＞3)，PMV最大与最小值差2个等级；14∶00太阳近似垂直辐射于地面，树木附近PMV值(4.30～5.80)虽略小于庭院空地，但整体大于3，对行人是极不舒适的环境，宜开展室内活动；17∶00建筑背阳面PMV值小于树木附近，空地周围PMV最大，但整体PMV值 (3.22～5.29)大于3，也不宜长时间在室外活动；18∶00太阳辐射减弱，建筑周边PMV值 (2.45～2.52)＜庭院空地 (2.58～2.65) ＜植被附近 (2.65～2.78)，整体PMV值仍然较高 (2～3)，但较18∶00前明显下降。

2.3 冬季模拟与结果分析

2.3.1 空气温度

用同样方法计算2018年2月6日8∶00—18∶00小黄楼东花厅1.5 m处温度的平均值。该时间段温度先升后降，8∶00温度最低，为4.98℃，14∶00温度最高，为11.09℃。

由8∶00，14∶00，18∶00小黄楼的温度场分布可知，8∶00小黄楼东花厅温度是4.48℃～6.17℃；14∶00是10.34℃～11.79℃；18∶00是7.62℃～8.72℃。温度分布整体一致，花厅以西高于花厅以北。

总体而言，相对高温区在花厅西北、东南角的大乔附近，以及花厅西南区域，相对低温区集中分布在中庭建筑四周。可以推测冬季影响庭院气温最大的因素是冷空气输入，由于冬季太阳高度角低，太阳辐射在冬季的影响力弱于冷空气。

2.3.2 相对湿度

通过计算2018年2月6日8∶00—18∶00小黄楼东花厅1.5 m处的湿度平均值可知，该时间段湿度先降后升，8∶00—12∶00平均湿度下降较快，12∶00以后平缓上升；8∶00平均湿度最高，为58.79%，12∶00最低，为27.29%，说明冬季温湿度的相关度较夏季弱。

由8∶00，14∶00，18∶00小黄楼的湿度场分布可知，8∶00小黄楼东花厅最大湿度为60.58%，最小湿度为54.39%。14∶00最大湿度为29.67%，最小湿度为27.37%。18∶00最大湿度为37.49%，最小湿度为34.85%。花厅的高湿区整体绕花厅中央建筑呈西北—东南轴线分布，冬季冷空气输入对湿度影响很大，其次是太阳辐射；冬季气温低，植被叶片的蒸腾作用减弱。

2.3.3 风速

通过计算2018年2月6日8∶00—18∶00小黄楼东花厅1.5 m处的风速平均值可知，该时间段风速在0.17～0.23 m/s，游人几乎感受不到。由于花厅四周有建筑和围墙围合，形成相对密闭的空间，整体风速较小，且中央风速略大于四周，会形成涡流。

2.3.4 热环境评价

根据模拟结果，计算2018年2月6日8∶00—18∶00小黄楼东花厅1.5 m处的PMV平均值(图3)。该时间段PMV值在-1.70～-3.99，对照PMV的 《7个等级热感觉量表》，8∶00—9∶00，17∶00—18∶00PMV均值小于-3，是非常冷级别，游人长时间待室外有极度冷压力。

图3 冬季8∶00—18∶00小黄楼东花厅1.5 m处的PMV变化图

从输出8∶00，14∶00， 17∶00， 18∶00冬季小黄楼1.5 m处的PMV分布图 (图4)可见，8∶00花厅空地的PMV值 (-4.34～-4.01)小于植被附近 (-4.01～-3.01)，但都小于-3，不宜长时间室外活动；14∶00受太阳辐射影响，建筑背阳面PMV值最小 (-2.45～-2.11)，树木附近其次 (-2.11～-1.43)，庭院空地最大 (-1.43～-1.09)，PMV最大与最小差1个等级；17∶00大部分区域PMV值为-3.35～-2.90，小于-3，不宜长时间室外活动；18∶00与17∶00的PMV分布大体一致，PMV值 (-3.82～-3.41)呈庭院中央小于四周分布，小于-3，也会对人有极度冷压力，不宜长时间待在室外。

图4 冬季小黄楼1.5 m处的PMV分布图(左上8∶00，右上14∶00；左下17∶00，右下18∶00)

3 建议

3.1 植被种植

研究表明，要达到同样的降温效果，需要的乔木荫蔽面积最小，其次是矮小灌木，草坪面积最大，即高大乔木的降温效应是最佳的[10]。根据实验结果，当庭院中乔木的荫蔽面积达40%时，对人体舒适度的作用占主导地位，灌草的作用几乎可以忽略，所以在空间允许的范围内，应尽可能种植覆盖率大的乔木；灌木及草坪的种植仍以观赏为主，但要综合考虑庭院的类型、空间条件等。对于古典园林，植被的类型及种植模式要符合庭院审美，避免破坏庭院审美。

3.2 观赏游览

1)游览时间。实地调研表明，大部分庭院开放时间是8∶30—17∶00，16∶30停止入场。研究表明，夏季9∶00—17∶00游人长时间在室外活动会产生极度热压力；而冬季10∶00—16∶00是较适合游人外出活动的时间，10∶00前、16∶00后行人长时间在室外活动会产生极度冷压力。针对不同的环境条件，可以适当调整庭院的开放时间，进行人为调控，为游人提供最佳的游览时间、游览环境。对于景观丰富的庭院，夏季休息日可以适当延长开放时间，让游人参与到室外庭院活动中，了解其深刻内涵，同时愉悦身心，提升幸福感。

2)游览活动。加强古典园林的宣传保护力度。对于冬夏不宜室外活动的时间段，可丰富室内活动的内容，增强庭院的特色性。节假日可以适当在 “水榭戏台”中开展戏曲活动，让更多人了解民族艺术，弘扬中国传统文化；冬夏极冷极热月可以在 “二梅书屋” “冰心故居”等开展室内文教活动，了解历史、领略时代精神。

通过实地调研发现，三坊七巷南后街夜晚游客很多，但可能受南后街两侧庭院开放时间等影响，巷坊内光线较暗，会使游人产生不安全的心理因素，所以游人很少。针对这一现象，夏季可以适当延长庭院开放时间，在夜晚开展主题夜景活动。

4 结语

本研究基于先前学者对微气候的研究[11-17]，对福州古典园林三坊七巷小黄楼东花厅开展ENVI-met数值模拟具有一定的可行性，通过对场景模拟再现，有利于规划者保护历史、吸取经验，对未来的建设做出系统合理的判断。本次仅进行了冬夏极端季的研究，研究对象较为单一，后期还需增加研究对象，增加对过渡季春秋季节的研究，并进一步具体对庭院的空间形态与微气候环境的变化规律展开定量研究，以期创造更加适宜的庭院微气候环境，提升全民幸福感。